廖永生:开启全息三维显示新时代

2018-03-12 15:59:32    来源:中国测绘宣传中心

摘要:有没有能够全方位展示空间地理信息实体以达到最接近真实世界的技术呢?回答是肯定的,这就是全息三维影像显示技术。

  长期以来,为了尽可能让人类快速认知地图,地图学家想方设法表达地图中的信息,特别是采用地图符号、文字标注等手段,使地图可读性大为增强。中外地图学家都有一个共同的目标,即地图能够与真实世界的空间格局相同,实现真实世界在图中。那么,究竟有没有能够全方位展示空间地理信息实体以达到最接近真实世界的技术呢?回答是肯定的,这就是全息三维影像显示技术。

廖永生:开启全息三维显示新时代

  要实现这一目标最大的难题就是地图表达媒介和真实世界之间的差异。从全球地图历史上看,无论是采用金属、泥土、岩石还是最常用的纸张作为媒介的地图,都只能绘制二维的地图,但是我们的真实世界却是三维的,地图在大多数情况下都只展示平面信息,而高程信息无法展示,也就是无法展示真实世界的三维信息。

  1074年,我国著名科学家沈括制作了第一幅真正意义上的木质三维地图,真正实现了真实世界的同景展示。在欧洲,18世纪出现了以等高线表示地形起伏的方法,等高线的出现,有效解决了不能在地图上表达高程和地形起伏信息,但是仍然不能实现真实世界展示。从上世纪60年代开始,在计算机图形学和数字图像处理技术的推动下,出现了地理信息和数字地图技术,实现了在计算机上展示三维地图信息。三维地图不仅仅展示地形起伏,还可以展示各种实体的空间真实形状,真正实现了空间三维信息表达。即使这样,现代计算机表达的真实世界的信息,也非真实世界的最佳表达。因为目前三维地图都是在计算机最主要的输出装置——屏幕上显示,而计算机显示屏是二维平面的,因此,在展示手段上,仍然无法全方位、全角度展示真实世界。

  全息三维影像显示技术正在解决这些问题。这一技术距离我们并不遥远,很多好莱坞科幻电影中就经常出现全息三维影像展示三维地图,但是那些场景依然是非真实的电脑特效而不是真正实现的技术。全息三维影像技术最早可以追溯到1947年英国匈牙利裔物理学家丹尼斯?盖伯发明的全息投影术,但是由于感光硬件限制,该技术直到1960年激光发明后才取得了实质性的进展。第一张真实记录三维物体的光学全息投影照片诞生在1962年,是由苏联科学家尤里?丹尼苏克拍摄的。与此同时,美国密歇根大学雷达实验室的工作人员艾米特?利思和尤里斯?乌帕特尼克斯也发明了同样的技术。这些技术创新开启了全息三维显示的新时代。

  全息影像术的基础理论并不复杂,主要以两种技术为主,即有媒介全息影像技术和无媒介全息影像技术。有媒介全息影像技术与我国自古流传的海市蜃楼原理相吻合,图像投射需要用到介质,介质可以是诺利德成像膜,水雾等;水雾介质方面,因为水分子震动不均衡,由此投射出具有层次和立体感的影像。目前,有媒介的全息影像技术基本上都是利用玻璃作为显示载体。无媒介全息影像技术是不依赖任何物质直接在空间中显示的技术。这种技术原理是光栅干涉条纹在空间中获得立体影像。在无媒介全息三维影像技术下,全息三维图再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,实现了真正意义上的真实三维场景,是真正意义上的“裸眼”3D图像。

  未来随着全息三维影像技术的成熟和应用推广,与其特点配套的各种技术与应用将会涌现,如全息三维地理信息技术、增强虚拟现实技术(AR)、虚拟现实技术(VR)以及未来空间现实推演技术等等,都将改变大众生活。

  然而,目前全息三维地理信息技术仍然达不到广泛应用阶段。虽然全息影像和全息三维影像技术发展了很多年,全息影像显示技术中的二维甚至2.5维显示技术已经得到了比较广泛的应用,但是目前全息真三维显示技术仍然未能达到完全实用阶段,主要难题仍然是如何控制干涉条纹的显示,特别是尽可能少地使用激光源在全无媒介空间中控制每个空间点的色彩。如果突破这一技术,则全息三维成像将不再受限,为大规模应用铺平道路,而最有可能的是显示屏幕的减少甚至消失。

  目前,全球各个科技强国都在攻关,实现无媒介全息三维立体显示技术。和很多前沿科技一样,全息三维立体显示技术也是从军事应用开始的。在这方面,中美走在世界前列。美国计划在2025年前研发出新的指挥作战系统,将使用全息虚拟技术展示作战地图。中国军队也力争在2020年左右实现基于全息三维立体技术的指挥所内战场态势的三维模型构建与全息展现、全息电子沙盘自然交互、多人异地协同交互等技术,构建基于全息影像的电子沙盘原型系统,实现用户在多方位、多角度的电子沙盘观看和操作,以及多个用户的电子沙盘协同作业,提高作战人员会商研讨与指挥决策的效率。在民用领域,全息三维影像技术也开始得到应用并取得了很大的效果。目前,应用的最广泛和成熟的是舞台表演和电视转播。2011年7月,日本某虚拟卡通人物通过全息仿三维影像举办演唱会,改变了传统演唱会模式,引起巨大轰动。日本计划在2020年东京奥运会上实现首次全息三维立体成像转播。而我国在2016年的G20杭州峰会的文艺晚会中,利用全息投影虚拟成像呈现节目,实现舞台表演“虚”“实”结合,取得了良好效果。另外,我国多次文物博览会都采用了全息三维影像展示古文物,既实现了文物的有效真实展示,又避免了文物损耗和安全隐患等问题,这种技术方法在我国很多地方的博物馆和展览馆得到了普及。

  我国也已经有多家机构能够提供全息三维影像展示设备,开始应用在各个领域,市场前景广阔。全息三维影像技术在各个行业中都有重要应用,但是对于地理信息科学,其作用更加重大。基于全息三维影像的空间三维地图,是真正意义上的真实世界场景的反映。在该技术的影响下,未来的地图表达将发生革命性变化。全息三维影像地图更加真实直观地展示空间实体的方位、形状以及空间实体之间的关系,能够让用户获得的信息更加可靠,从而避免空间信息传送中的偏差和不对称。目前,相关硬件设备特别是无媒介全息三维影像设备的研发也在紧锣密鼓地进行,未来可能实现利用手机即可展示全息三维立体影像。

  我国全息三维技术在世界处于先进水平,未来5到10年内,全息三维立体技术将逐渐成熟并应用于各个行业。我国地理信息科技工作者应紧跟这一技术热点,思考在该技术下的前沿技术,力争实现我国地理信息技术的又一次革命性突破。

  (作者单位:广西测绘地理信息局)

  (中国测绘2018年第1期)


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